半導(dǎo)體激光熔覆Ni60粉末的熔覆層成形機(jī)理分析

（蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

0 前言

近年來，機(jī)械行業(yè)對高性能結(jié)構(gòu)件、快速原型制造的需求不斷促進(jìn)著先進(jìn)激光加工制造技術(shù)如激光熔覆、選區(qū)激光熔化（SLM，selective laser melting）、金屬3D打印的發(fā)展。在各種激光加工制造技術(shù)中，常見的加工原材料主要是金屬粉末和絲材。其中，由于金屬粉末具有流動性好、易于精確控制，方便添加合金元素等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。對于上述激光加工制造技術(shù)而言，控制最終成形是一個(gè)十分重要的問題。較為常見的成形問題有裂紋、氣孔、球化不鋪展等，這些問題將嚴(yán)重影響工件的使用。本研究以激光熔敷過程中粉末的熔化、匯聚、熔合、鋪展為重點(diǎn)，研究分析熔覆層的成形機(jī)理。

激光束單道掃描粉末后，會形成近半圓柱形的熔化軌跡。然而在某些工藝參數(shù)下，液態(tài)金屬無法鋪展，有分裂成一排球面的傾向，稱為“球化現(xiàn)象”[1]。解決球化不鋪展問題的普遍方法是優(yōu)化工藝參數(shù)或在金屬粉末中添加微量的活性元素以降低熔融金屬的表面張力來改善鋪展[2]。Simchi A.等人分析了掃描間距對激光熔化純鐵粉成形的影響，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)不穩(wěn)定性是出現(xiàn)球化成形的主要原因，并且球化過程伴隨著表面能的減少；減小掃描間距可以改善熔池的流動與凝固行為，使得前序焊道重熔增多以減少球化現(xiàn)象的產(chǎn)生[3]。Kruth J.P.等人研究了鐵基復(fù)合粉末SLM成形過程中的球化行為，指出激光掃描得到的單道焊縫可以看作是半圓柱體，其長寬比越大、比表面積越大，不利于液態(tài)金屬的鋪展?jié)櫇瘢瑑A向于形成球形；此外，球化的產(chǎn)生還與基體表面氧化有關(guān)，通過高能量激光清除氧化膜可以凈化固-液界面，也可以向粉末中添加脫氧劑（如磷鐵）以降低表面張力[4]。周鑫等人研究了純鎢單層鋪粉激光選區(qū)熔化/凝固行為，提出了熔滴鋪展/凝固競爭模型來解釋球化機(jī)制，認(rèn)為熔滴的鋪展過程受毛細(xì)力控制，凝固過程受溫度梯度控制。純鎢熔滴的粘度和表面張力均較高，導(dǎo)致流動性不好且鋪展過程漫長；鎢較高的熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)又使得凝固過程十分迅速，來不及完成鋪展便快速凝固球化。增強(qiáng)基體/粉末對激光能量的吸收有利于提高熔體溫度、延長凝固時(shí)間，弱化球化傾向[5]。

以上研究大多通過表面張力理論來解釋球化成形機(jī)制，籠統(tǒng)解釋為液態(tài)金屬的鋪展由表面張力決定，依靠分析激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對成形狀態(tài)的影響規(guī)律，建立工藝參數(shù)與成形尺寸的對應(yīng)規(guī)則，并未詳細(xì)解釋成形機(jī)理。本研究采用高速攝像機(jī)記錄激光熔化金屬粉末的過程，對粉末熔化過程進(jìn)行片段化處理，分析各階段受力、受熱以及熱傳導(dǎo)的變化，以解釋各種成形的產(chǎn)生機(jī)理，對于針對金屬粉末材料的各種激光加工制造技術(shù)的工藝參數(shù)改進(jìn)以及精確控制成形都有參考意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用牌號Ni60的自熔性合金粉末作為熔覆材料，其化學(xué)成分如表1所示。將5 mm厚的304不銹鋼板切割成40 mm×80 mm的小塊作為基體材料，并采用機(jī)械打磨去除表面氧化皮，然后用丙酮去除油污，最后用吹風(fēng)機(jī)烘干表面。

表1 Ni60自熔性合金粉末的化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

選擇西安炬光科技股份有限公司生產(chǎn)的FLDLight3半導(dǎo)體激光器作為熔覆熱源，最大功率為1.5 kW，波長 976±10 nm，光斑尺寸 1 mm×3 mm，焦距275 mm。利用奧林巴斯i-speed 3型高速攝像機(jī)高速攝像機(jī)以分辨率350×250、1 000幀/s記錄粉末熔化過程。

為了便于觀察粉末熔化、液態(tài)熔體鋪展的動態(tài)過程，選擇從側(cè)面（即與激光光斑長度方向垂直）對準(zhǔn)熔化區(qū)域拍攝，且攝像機(jī)鏡頭與水平面夾角盡可能小以便能直接從視頻中觀察到鋪展情況。此外，在攝像機(jī)旁以同樣方向布置北京紐比特科技有限公司生產(chǎn)的HSX-F300型氙燈作為輔助光源照亮整個(gè)熔化區(qū)域，以改善高幀率下畫面亮度過低的情況。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 完整的粉末熔化、匯聚、熔合、鋪展動態(tài)過程

粉末的匯聚、熔合、鋪展是一個(gè)十分迅速的非常復(fù)雜的物理過程，需要對整個(gè)成形過程片段化分析。通過分析大量高速視頻，可以歸納出一個(gè)完整的粉末熔化動態(tài)過程包括5個(gè)特征行為：①激光輻照在粉末上，粉末開始熔化；②先熔化出許多小球；③小球表面互相接觸，直接熔合成稍大的幾個(gè)球；④在稍大的幾個(gè)球中，兩側(cè)的球向中心區(qū)域移動，熔合入中心的球，形成一個(gè)大的液態(tài)熔體，同時(shí)旁邊仍不斷熔化出新的小球，并不斷熔入中心大球；⑤大的液態(tài)熔體隨著周圍小球的不斷熔入而長大，最終呈現(xiàn)3種不同形式：a.熔融金屬由始至終未能鋪展，收縮成球形并凝固；b.熔融金屬鋪展，但凝固后接觸角較大；c.熔融金屬快速鋪展，最終凝固后接觸角較小。5個(gè)特征行為對應(yīng)的高速攝像截圖見圖2。

圖2 完整的粉末熔化、匯聚、熔合、鋪展動態(tài)過程

2.2 各階段受力、受熱以及熱傳導(dǎo)形式分析

在僅有半導(dǎo)體激光作為熱源的情況下，粉末熔化產(chǎn)生的液態(tài)熔體受到重力與表面張力作用。表面張力傾向于使液態(tài)熔體收縮成球體以獲得最小表面積，達(dá)到最小表面能，阻礙液體鋪展；重力降低液態(tài)熔體重心，傾向于使熔體鋪展。

激光輻照在粉末材料上形成特征行為②所描述的體積很小的液態(tài)小球。此階段處在熔化開始不久，熔化區(qū)域溫度較低。由于液體的表面張力與溫度成反比[6]，此時(shí)液態(tài)熔體的表面張力很大。重力無法克服表面張力，為降低表面能達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)液態(tài)熔體會收縮成小球以減小表面積。固態(tài)時(shí)粉末顆粒間空隙很大，可近似看成點(diǎn)接觸，熱量傳遞效率較低。處于下方的粉末與基體由于被遮蓋，只能靠上方粉末傳熱，吸熱升溫較慢。在液態(tài)熔體形成后，激光直接照射在液體表面，除了被反射散失的部分，熱量直接被吸收，傳熱效率顯著提高。處于下方的固體粉末與高溫的液態(tài)熔體直接接觸并熔入其中，使液態(tài)熔體不斷長大。隨著液態(tài)熔體體積的增大，它們的表面會互相接觸。此時(shí)根據(jù)吉布斯自由能的能量最低原理，表面相互接觸的液態(tài)小球會相互熔合以減小表面積，降低表面能，出現(xiàn)成形動態(tài)過程中的特征行為③。由于光斑中心熔化的粉末量較兩側(cè)更多，未熔化的粉末會形成一個(gè)碗狀，兩側(cè)小球在重力作用下會向中心運(yùn)動直接熔入中心的球，形成一個(gè)如特征行為④所描述的大的液態(tài)熔體。在粉末層較薄或激光功率較高的情況下，這個(gè)液態(tài)熔體很快就能接觸到基體。在重力作用下，液態(tài)熔體開始在基體上鋪展，液態(tài)熔體與基體的接觸將由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，使得基體溫度快速升高，隨之降低固-液界面的表面張力，進(jìn)一步改善鋪展。此外，較高的激光功率也使得整個(gè)區(qū)域溫度達(dá)到更高水平，降低液-氣界面表面張力，改善鋪展，出現(xiàn)特征行為⑤B的情況。如果繼續(xù)提高激光功率，液-氣界面與固-液界面的表面張力都將繼續(xù)降低，接觸角也會進(jìn)一步降低，即特征行為⑤C的情況。然而并非所有的工藝參數(shù)下出現(xiàn)特征行為④的液態(tài)熔體都能鋪展。在預(yù)置粉末層較厚或是激光功率較小的情況下，由于粉末熔化量不大，整個(gè)液態(tài)熔體未能與基體接觸，被旁邊未熔化的粉末托舉。此時(shí)重力不大而液-氣界面表面張力較大，液態(tài)熔體將直接收縮成球形，也即特征行為⑤A所展示的情況。

2.3 各種特殊成形的分析

工件以某一速度移動（即激光以某一掃描速度熔化粉末），光斑不斷向前方移動，前方粉末熔化形成液態(tài)熔體，后方液態(tài)熔體由于距離光斑越來越遠(yuǎn)，溫度逐漸降低不斷凝固，形成單道的熔覆層。不同熱輸入下，上述5個(gè)特征行為不一定都會出現(xiàn)，因此形成了不同參數(shù)下千差萬別的單道熔覆層成形。

激光功率較小且粉末層較薄時(shí)，由于熱輸入小，粉末的熔化量不大，形成的小球體積均很小，所受重力不大。由于溫度與表面張力呈負(fù)相關(guān)，較小的激光功率使得小球的表面張力極高。在極高的表面張力和較小的重力作用下，體積很小的小球無法互相接觸，只能收縮成特征行為②中描述的球形。典型的球狀成形如圖3所示。

圖3 100 W半導(dǎo)體激光以2 mm/s掃描0.5 mm厚的Ni60粉末得到的焊縫成形

如果只增加粉末層的厚度而不提高激光功率，則會得到一條小球互相連接而不鋪展的焊縫。此時(shí)粉末的熔化量略有增加，小球之間得以接觸，但由于表面張力仍很高，使其無法熔合形成特征行為④中所描述的大的液態(tài)熔體。典型的連結(jié)小球焊縫成形如圖4所示。

圖4 100 W半導(dǎo)體激光以2 mm/s掃描2 mm厚的Ni60粉末得到的焊縫成形

雖然實(shí)驗(yàn)中采用激光為矩形光斑的半導(dǎo)體激光器，但是在如圖 5所示的臺階形熱源分布下，光斑兩側(cè)將快速向外部散熱，因此能量最集中的仍然是光斑中心，中心熔化的粉末量較兩側(cè)更多，形成一個(gè)碗狀。兩側(cè)小球在重力作用下則會向中心移動，在接觸到中心小球時(shí)，如果表面張力不是非常大，就會熔合以獲得更小的表面積，達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。因此為了使小球能夠熔合，形成如特征行為④所描述的大的液態(tài)熔體，就需要提高激光功率。

如果激光功率提高的程度不大而粉末層又過厚，大的液態(tài)熔體隨著周圍的不斷新熔化的小球的熔入長大，但始終無法接觸到基板或近似認(rèn)為與基板點(diǎn)接觸。此時(shí)，液態(tài)熔體與基板之間熱傳導(dǎo)緩慢，因而表面張力仍較大，只能收縮成如特征行為⑤A所描述的球形，在一定掃描速度下，就會形成近似圓柱體的焊縫成形，如圖6所示。

圖5 半導(dǎo)體激光能量分布形式

圖6 300 W半導(dǎo)體激光以2 mm/s掃描2 mm厚的Ni60粉末得到的焊縫成形

為了使特征行為④產(chǎn)生的大的液態(tài)熔體鋪展，需繼續(xù)提高激光功率。較高的激光功率提供足夠的熱輸入，粉末熔化量、液態(tài)熔體的體積明顯增大。較大的重力克服表面張力，使得液態(tài)熔體與基板的接觸方式由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，將極大提高熱傳導(dǎo)效率，液態(tài)熔體與基板之間的界面張力將降低，熔融金屬開始鋪展。典型的焊縫成形如圖7所示。

圖7 1 100 W半導(dǎo)體激光以2 mm/s掃描1 mm厚的Ni60粉末得到的焊縫成形以及橫截面

由圖7可知，其接觸角仍然較大。為了獲得理想的鋪展，接觸角小的焊縫需進(jìn)一步提高激光功率。在極高的激光功率下，液態(tài)熔體與基板之間極快的熱傳導(dǎo)不但降低液態(tài)熔體與基板之間的界面張力，也大大降低了液態(tài)熔體自身的表面張力，進(jìn)一步促進(jìn)鋪展，最終形成接觸角極小的焊縫。鋪展良好的熔覆層成形如圖8所示。

圖8 1 500 W半導(dǎo)體激光以2 mm/s掃描1 mm厚的Ni60粉末得到的焊縫成形以及橫截面

3 結(jié)論

在激光熔覆過程中，熔化的粉末在基板上球化不鋪展是常見的一種成形缺陷，嚴(yán)重影響熔覆層性能以及后續(xù)工序的進(jìn)行。本試驗(yàn)通過高速攝像機(jī)記錄粉末熔化過程，結(jié)合激光單道熔化粉末的各種特殊成形分析其成形機(jī)理，得出以下結(jié)論：

（1）熔融的液態(tài)金屬在基板表面的鋪展主要受表面張力、重力、周邊介質(zhì)（粉末厚度）的影響。其中，表面張力對鋪展起阻礙作用，而重力則是促進(jìn)鋪展。完整的粉末熔化、匯聚、熔合、鋪展動態(tài)過程包括5個(gè)特征行為。

（2）在單一激光熱源作用下，粉末運(yùn)動匯聚熔合的驅(qū)動力比較單一，只能依靠重力作用在下方粉末呈現(xiàn)傾斜的情況下向中間運(yùn)動，運(yùn)動匯聚熔合較為緩慢，需要依賴激光功率的提高來促進(jìn)熔合匯聚過程的進(jìn)行。

（3）增大粉末厚度阻礙了液態(tài)熔體通過下方未熔化粉末與基體的熱傳導(dǎo)，增大了液態(tài)熔體的表面張力，造成鋪展逐漸變差。

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